KR101811448B1

KR101811448B1 - 초점면 스캔 방식을 이용하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101811448B1
Application number: KR1020170033341A
Authority: KR
Inventors: 임용준; 홍기훈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2017-12-21
Also published as: US10488821B2; US20180267467A1

Abstract

홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공된다. 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 입사 광원으로부터 방출되는 빛을 CGH(computer generated hologram) 패턴에 대응하는 형태로 회절시켜, 영상 신호를 생성하는 공간광변조기(spatial light modulator); 상기 영상 신호를 필터링하여, 상기 영상 신호에 포함된 신호 성분들 중 제1 신호 성분을 선택하는 필터링 광학계; 상기 제1 신호 성분에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 상기 제1 영상 평면 보다 작은 크기를 가지는 초점 평면을 거울의 표면에 형성하는 제1 형성 광학계; 및 상기 거울의 기울어짐 각도(tilting angle)와 상기 거울의 회전에 따라, 360도 방향의 빔을 형성하는 초점 스캐너를 포함한다.

Description

초점면 스캔 방식을 이용하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법{HOLOGRAPHIC DISPLAY APPARATUS AND METHOD USING FOCUS PLANE SCANNING SCHEME}

본 발명은 공간광변조기로부터 재현되는 홀로그램 영상을 360도 전방향으로 표시하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

디지털 홀로그래피는 가간섭성 광원인 레이저를 이용하여 빛의 밝기 정보와 위상 정보를 공간광변조기(SLM: spatial light modulator)에 표시하여 3차원 영상을 표시하는 기술이다.

디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현하기 위해서는, 빛의 밝기 정보 또는 위상 정보를 변조할 수 있는 공간광변조기 장치가 요구되며, 주로 LC(liquid crystal), LCoS(liquid crystal on silicon), DMD(digital micro-mirror device) 등이 SLM으로 사용된다.

공간광변조기(SLM)의 성능은 최종적으로 사용자가 접하게 되는 영상의 해상도, 시야각, 영상의 크기 등을 결정한다. 공간광변조기(SLM)의 해상도는 영상의 크기를 결정하고, 공간광변조기(SLM)의 각 요소픽셀크기 또는 픽셀 간격은 시야각을 결정한다.

하지만, 현재 사용 가능한 공간광변조기(SLM)의 성능제약에 의해, 단수의 평판형 SLM 구조만으로 360도 전방향에서 시청 가능한 3차원 홀로그램 영상을 형성하는 것은 물리적으로 불가능하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 초점면 스캔 방식을 이용하는 360도 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 홀로그램 초점면 스캔 방법을 통해 360도 전방향에서 관찰이 가능한 홀로그래픽 디스플레이 시스템 그리고 이러한 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공된다. 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 입사 광원으로부터 방출되는 빛을 CGH(computer generated hologram) 패턴에 대응하는 형태로 회절시켜, 영상 신호를 생성하는 공간광변조기(spatial light modulator); 상기 영상 신호를 필터링하여, 상기 영상 신호에 포함된 신호 성분들 중 제1 신호 성분을 선택하는 필터링 광학계; 상기 제1 신호 성분에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 상기 제1 영상 평면 보다 작은 크기를 가지는 초점 평면을 거울의 표면에 형성하는 제1 형성 광학계; 및 상기 거울의 기울어짐 각도(tilting angle)와 상기 거울의 회전에 따라, 360도 방향의 빔을 형성하는 초점 스캐너를 포함한다.

상기 제1 형성 광학계는, 렌즈를 통해, 상기 제1 영상 평면의 신호를 상기 거울의 표면에 상기 초점 평면의 형태로 집속시킬 수 있다.

상기 거울은 20mm 이하의 직경을 가지며, 상기 거울에는 MEMS(microelectromechanical system) 방식이 적용될 수 있다.

상기 초점 스캐너는, 상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 제1 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제1 각도와 상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제2 각도에 따라 상기 빔의 경로를 기울이고, 상기 거울의 중심축을 기준으로 상기 거울을 회전시킬 수 있다.

상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 전방향 렌즈(omnidirectional lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 제2 형성 광학계를 더 포함할 수 있다.

상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 제2 형성 광학계를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공된다. 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 공간광변조기(spatial light modulator)에 의해 회절된 영상 신호를 필터링하는 필터링 광학계; 상기 필터링된 영상 신호에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 초점 평면을 거울의 중심축에 대한 제1 각도로 상기 거울의 표면에 입사시키는 제1 형성 광학계; 및 상기 거울의 제1 축에 대하여 상기 거울이 기울어진 정도를 나타내는 제2 각도와 상기 거울의 중심축을 기준으로 수행되는 상기 거울의 회전에 따라, 360도 방향의 빔을 형성하는 초점 스캐너를 포함한다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법이 제공된다. 상기 홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법은, 입사 광원으로부터 방출되는 빛을 CGH(computer generated hologram) 패턴에 대응하는 형태로 회절시켜, 영상 신호를 생성하는 단계; 상기 영상 신호를 필터링하는 단계; 상기 필터링된 영상 신호에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 초점 평면을 거울의 표면에 형성하는 단계; 및 상기 거울의 기울어짐 각도(tilting angle)와 상기 거울의 회전을 제어하여, 360도 방향의 빔을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 초점 평면을 형성하는 단계는, 렌즈를 통해, 상기 제1 영상 평면의 신호를 상기 거울의 표면에 상기 제1 영상 평면 보다 작은 크기를 가지는 상기 초점 평면의 형태로 집속시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 초점 평면을 형성하는 단계는, 렌즈를 통해, 상기 초점 평면을 상기 거울의 중심축에 대한 제1 각도로 상기 거울의 표면에 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 빔을 형성하는 단계는, 상기 거울의 제1 축에 대하여 상기 거울이 제1 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제1 각도와 상기 제1 축에 대하여 상기 거울이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제2 각도에 따라 상기 빔의 경로를 기울이는 단계; 및 상기 거울의 중심축을 기준으로 상기 거울을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법은, 전방향 렌즈(omnidirectional lens) 또는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는데 필요한 홀로그램 영상의 초점(또는 초점면) 스캔을 응용하는 구조를 통해, 전자적으로 구동 가능한 미세 전자 기계 시스템(MEMS: microelectromechanical system) 스캐너 등을 사용하는 홀로그램 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 홀로그램 디스플레이 장치를 통해 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템의 부피를 줄일 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 영상면의 스캔을 통해 360도 체적 홀로그램을 형성하는 방법에 관한 자유도가 높아져, 시스템 설계 변경이 자유로울 수 있다.

도 1은 공간광변조기(SLM)의 시야각을 나타내는 도면이다.
도 2는 시간다중화 구현 장치를 포함하는 360도 홀로그래픽 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 홀로그램 초점면 스캔 방식을 이용한 360도 홀로그래픽 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 미세 전자 기계 시스템(MEMS: microelectromechanical system) 거울을 이용한 초점 스캔(또는 초점면 스캔)을 통해 360도 방향의 빔 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 거울 표면에 입사각 θ를 가지고서 집속된 초점 및 초점면이 MEMS 스캐너 거울면에서 스넬의 법칙에 따라 반사하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 도 4 및 도 5를 응용한 MEMS 거울을 이용하는 초점 스캔(또는 초점면 스캔)을 통해 360도 방향의 빔 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, MEMS 스캐너에 장착된 거울로부터 형성되는 빔을 체적 영상으로 만드는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.

또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.

이하에서는, 공간광변조기(SLM)의 초점면을 360도 방향으로 스캔하여 구현하는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대하여 설명한다. 그리고 이하에서는, 전자 제어 방식을 응용하여 시간 다중화 방식을 구현하는 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 공간광변조기(SLM)의 시야각을 나타내는 도면이다.

도 1에 예시된 바와 같이, 공간광변조기(SLM)의 물리적인 특징인 픽셀 간격(p)과 공간광변조기(SLM)로 입사되는 광원의 파장 크기(λ)에 의해 홀로그램 영상의 시야각은, 아래의 수학식 1과 같은 관계(시야각 θ과 p 간의 관계)가 성립된다.

수학식 1에 따르면, 입사하는 빛의 파장과 공간광변조기(SLM)의 유한값의 픽셀 간격에 의해, 단수의 SLM 만으로는 360도의 값을 가지는 시야각이 형성될 수 없게 된다. 따라서, 360도 모든 방향에서 시청 가능한 영상을 형성하기 위해서는, 공간광변조기(SLM)의 부족한 해상도와 픽셀 간격을 보상할 수 있는 기술이 필요하다. 이를 위해, 시간다중화(temporal multiplexing) 기법 또는 공간다중화(spatial multiplexing) 기법이 주로 사용된다.

시간다중화 방법으로써, 고속 동작이 가능한 회전 모터 등을 이용하여 홀로그램 영상면을 스캔하는 방식이 주로 사용된다. 360도 방향을 시간적으로 분할하고(시간다중화) 고속으로 영상을 바꿀 수 있는 DMD(digital micro-mirror device)가 주로 사용된다.

하지만, 필요한 영상면을 보여주기 위한 광학계의 크기가 영상면의 크기에 비례하여 커짐에 따라, 영상면을 스캔하는 장치의 크기 또한 증가한다. 이는 전체적인 시스템의 크기가 커지는 주요 원인이다. 이러한 시간다중화 방법이 구현된 360도 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대하여, 도 2를 참고하여 설명한다.

도 2는 시간다중화 구현 장치를 포함하는 360도 홀로그래픽 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다.

도 2에 예시된 바와 같이, 입사 광원은 주로 레이저와 같은 가간섭성 또는 결맞음성의 광원을 사용하고, SLM을 조명하는데 사용된다. 입사 광원은 SLM을 조명하기 전에, SLM 전 영역을 균일한 세기와 위상으로 조명할 수 있는 SLM 조명 광학계를 거친다.

그 이후 SLM에는 계산을 통해 만들어진 홀로그램(CGH: computer generated hologram)이 표시된다. SLM을 조명하는 광원은 SLM에 표시되는 CGH 패턴에 의해 회절되며, 3차원 영상을 표현할 수 있는 홀로그램 영상이 홀로그램 형성 광학계를 통해 나타난다.

그 이후, 형성된 홀로그램 영상은 시간다중화 구현 장치의 홀로그램 영상면 360도 회전 장치를 통해 360도 전방향으로 보내지며, 시간다중화 구현 장치의 홀로그램 영상 확대/투사 광학계를 통해 최종적으로 사용자에게 홀로그램 영상이 제공된다.

상술한 기술들을 이용하여 수평 360도 전방향에서 관찰이 가능한 디지털 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현함에 있어서, 다음과 같은 이유로 인해 시스템의 소형화에 한계가 있다. 360도 전방향으로 체적 홀로그램 영상을 형성하기 위한 시간다중화 방법 또는 공간다중화 방법 등의 추가적인 구현이 필요하다. 또한 광학계와 광학계를 구동하기 위한 회전 장치의 크기가 재생하고자 하는 체적 영상의 크기에 비례하여 커진다.

이하에서는, 360도 전방향에서 관찰이 가능한 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 홀로그램 초점면 스캔 방법을 이용하여 구현하는 방법과, 이러한 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 소형화하는 방법에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 홀로그램 초점면 스캔 방식을 이용한 360도 홀로그래픽 디스플레이 장치를 나타내는 도면이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 미세 전자 기계 시스템(MEMS: microelectromechanical system) 거울을 이용한 초점 스캔(또는 초점면 스캔)을 통해 360도 방향의 빔 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 거울 표면에 입사각 θ를 가지고서 집속된 초점 및 초점면이 MEMS 스캐너 거울면에서 스넬의 법칙에 따라 반사하는 경우를 나타내는 도면이다.

홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 가간섭성 광원(110), SLM 조명 광학계(120), SLM(130), 필터링 광학계(140), 초점/초점면 형성 광학계(150), 초점/초점면 스캐너(160), 360도 형성 광학계(170), 및 투사 광학계(180)를 포함한다.

가간섭성 광원(110)은 입사 광원이며, 일반적으로 레이저와 같은 결맞음성의 광원일 수 있다.

SLM 조명 광학계(120)는 가간섭성 광원(110)을 확대하여, 균일한 세기 및 위상을 가지는 상태로 균일하게 SLM(130)을 조명하는 장치이다.

SLM(130)은 계산된 홀로그램인 CGH를 표시하는 장치이다. 구체적으로, SLM(130)은 도 1에 예시된 단면 구조를 가지는 장치일 수 있다. SLM(130)을 위해, 주로 DMD(digital micro-mirror device), LC(liquid crystal), LCoS(liquid crystal on silicon) 등이 이용될 수 있다. SLM(130)은 입사하는 광원의 진폭 또는 위상을 변조하는 기능을 가진다.

SLM(130)을 통과하는 빛은 CGH 패턴에 의해 특정한 형태로 회절되는데, 이 때 특정한 형태로 회절된 빛은 3차원 홀로그램 영상을 만들 수 있다. 구체적으로 SLM(130)은 입사광을 CGH 패턴에 대응하는 형태로 회절시켜, 영상 신호를 생성할 수 있다. 한편, 회절된 영상 신호는 DC(direct current), 고차항의 회절 빔(beam) 등으로 나타날 수 있다. 홀로그램 영상을 위해, 주로 ±1차 성분이 영상 신호로써 사용된다.

필터링 광학계(140)는 SLM(130)에 의해 회절된 영상 신호를 필터링한다. 구체적으로 회절된 영상 신호에 대하여, 필터링 광학계(140)는 DC 영역의 필터링 및 1차 회절광 영역의 선택을 수행할 수 있다. 예를 들어, 필터링 광학계(140)는 회절된 영상 신호에 포함된 신호 성분들 중에서 0차 성분(예, DC 성분)을 제거하고 ±1차 성분(예, 회절광)을 선택할 수 있다.

필터링된 SLM 평면(PL10)은 실제로 SLM이 존재하는 물리적인 평면이 아니다. 필터링된 SLM 평면(PL10)은 필터링 광학계(140)에 의해 선택된 신호 성분에 기초하는 영상 평면이다. 구체적으로, 필터링된 SLM 평면(PL10)은 SLM(130)으로부터 나타나는 영상 신호가 필터링 광학계(140)에 의해 필터링된 평면이며, 회절된 영상 신호가 필터링 광학계(140)에 의해 나타나는 가상의 SLM 평면(virtual SLM plane)이다. 즉, 가상의 SLM 평면이란, 필터링된 영상 신호만으로 구성되는 영상 평면이다.

필터링된 SLM 평면(PL10)에 대하여, 초점/초점면 형성 광학계(150)는 렌즈 등을 이용해 초점(또는 초점면)을 형성할 수 있다. 초점면은 초점이 존재하는 면을 의미하며, 초점면의 크기는 필터링된 SLM 평면(PL10)의 크기 보다 작다. 구체적으로, 초점/초점면 형성 광학계(150)는 필터링된 SLM 평면(PL10)에 대한 집속(focusing)을 통해, 필터링된 SLM 평면(PL10) 보다 작은 크기를 가지는 초점 평면(초점면)을 초점/초점면 스캐너(160)에 장착된 거울의 표면에 형성할 수 있다.

이러한 초점(또는 초점면)에 대하여, 초점/초점면 스캐너(160)는 전자적으로 구동이 가능한 MEMS 방식이 적용되는 거울(예, 1 um ~ 20 mm의 직경을 가지는 MEMS 거울) 등을 통해, 초점(또는 초점면)을 스캔할 수 있다. 본 명세서에서, 초점/초점면 스캐너(160)를 MEMS 스캐너(160)라 한다. 구체적으로, 초점/초점면 스캐너(160)는 MEMS 거울의 기울어짐 각도(tilting angle)와 MEMS 거울의 회전을 제어할 수 있고, MEMS 거울의 기울어짐 각도와 MEMS 거울의 회전에 따라 360도 방향의 빔을 형성할 수 있다. 즉, 초점(또는 초점면)의 영상에 대하여, 초점/초점면 스캐너(160)는 MEMS 거울의 광축에 대한 기울어짐 각도와 거울 중심축에 대한 회전에 따라, 광축의 방향을 원형으로 형성할 수 있다. 도 4를 참고하여, 초점(또는 초점면)을 회전시키는 방법을 일반적인 거울에서의 반사와 비교하여 설명한다.

MEMS 거울의 직경과 초점/초점면 형성 광학계(150) 간의 관계는, 아래의 수학식 2로부터 구해질 수 있다.

수학식 2에서, D는 MEMS 거울의 직경을 나타내고, f는 초점(또는 초점면)을 형성하는 렌즈(예, 초점/초점면 형성 광학계(150)의 렌즈)의 초점 거리를 나타내고, λ는 입사 광원(110)의 파장을 나타내고, 그리고 s는 초점(또는 초점면)을 형성하는 렌즈(예, 초점/초점면 형성 광학계(150)의 렌즈) 앞에 형성되는 가상 평면(PL10) 상에서의 픽셀 간격(pixel pitch)을 나타낸다.

초점/초점면 형성 광학계(150)를 통과한 필터링된 SLM 평면(PL10)의 영상 신호는, 초점/초점면 스캐너(160)에 장착된 MEMS 거울의 표면에 초점(또는 초점면) 형태로 집속된다. 즉, 초점/초점면 형성 광학계(150)는 필터링된 SLM 평면(PL10)의 신호를, 렌즈 등을 통해 MEMS 거울의 표면에 초점면 형태로 집속시킬 수 있다.

초점(또는 초점면) 형태로 집속된 빛(또는 신호)에 대하여, 초점/초점면 스캐너(160)는 도 4의 (b)에 예시된 바와 같이, 거울면의 기울어짐 각도(

)에 의해 빔 경로를 기울일 수 있고, 이와 동시에 회전 대칭축(또는 거울 중심축) 방향으로 거울 회전을 수행할 수 있다. 즉, 초점/초점면 스캐너(160)는 MEMS 거울의 축(예, 광축)에 대하여 MEMS 거울이 제1 방향(예, MEMS 거울의 광축을 기준으로 위 방향)으로 기울어진 정도를 나타내는 각도(

₁)와 MEMS 거울의 축(예, 광축)에 대하여 MEMS 거울이 제1 방향의 반대인 제2 방향(예, MEMS 거울의 광축을 기준으로 아래 방향)으로 기울어진 정도를 나타내는 각도(

₂)에 따라 반사빔의 경로를 기울일 수 있고, MEMS 거울의 중심축(또는 회전 대칭축)을 기준으로 MEMS 거울을 회전시킬 수 있다. MEMS 거울은 기울어짐 각도(

₁)와 기울어짐 각도(

₂)를 번갈아(또는 교대로) 가질 수 있다.

이를 통해, 초점/초점면 스캐너(160)는 반사빔의 방향을 전환하여, 360도 형태의 원형 방향으로 반사빔을 형성할 수 있다. 도 4의 (a)에 예시된 바와 같이, 거울면에 빛이 수직으로 입사되는 경우에, 입사빔과 반사빔은 서로 평행하다. 하지만 도 4의 (b)에 예시된 초점(또는 초점면) 스캔을 통한 360도 방향 빔 형성 방법에 따르면, MEMS 거울의 기울어짐 각도(예,

₁,

₂)와 MEMS 거울의 회전에 의해, 입사빔에 대한 반사빔은 360도 방향으로 형성될 수 있다.

초점/초점면 스캐너(160)에 의해 형성된 빔(360도 방향으로 퍼져나가는 빔)이 360도 형성 광학계(170)에 입력되는 경우에, 360도 형성 광학계(170)는 360도 방향으로 입체 홀로그램 영상을 형성할 수 있다. 여기서, 360도 형성 광학계(170)는 전방향 렌즈(omnidirectional lens) 또는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)를 이용해 구성될 수 있다. 구체적으로, 360도 형성 광학계(170)는 초점/초점면 스캐너(160)에 의해 형성된 빔(360도 방향의 빔)을 전방향 렌즈(omnidirectional lens) 또는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성할 수 있다.

투사 광학계(180)는 360도 방향으로 형성된 입체 홀로그램 영상을 투사한다. 이를 통해, 입체 홀로그램 영상이 최종적으로 사용자에게 제공될 수 있다.

한편, 홀로그래픽 디스플레이 장치(100)는 도 3에 예시된 구성(110~180) 이외의 다양한 구성을 더 포함할 수 있다.

한편, 필터링된 SLM 평면(또는 가상의 SLM 평면)(PL10)으로부터 집속된 영상 신호의 초점(또는 초점면)이 MEMS 거울의 표면에 각도 θ를 가지고서 입사하는 경우에는, 도 5에 예시된 바와 같이, 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 빔 경로가 전환될 수 있다. 도 5에 예시된 렌즈(LE10)는 초점(또는 초점면)의 형성을 위해 사용되며, 초점/초점면 형성 광학계(150)에 포함될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 도 4 및 도 5를 응용한 MEMS 거울을 이용하는 초점 스캔(또는 초점면 스캔)을 통해 360도 방향의 빔 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.

구체적으로 도 6에는, 도 4에 예시된 실시예와 도 5에 예시된 실시예 간의 결합이 예시되어 있다.

필터링된 SLM 평면(또는 가상의 SLM 평면)(PL10)으로부터 렌즈(LE10)를 통해 집속된 영상 신호의 초점(또는 초점면)이 MEMS 거울면에 각도 θ를 가지고서 입사한다고 가정하자. 각도 θ를 가지는 입사빔에 대하여, 초점/초점면 스캐너(160)는 MEMS 거울면의 기울어짐 각도(

₁)에 의해 빔 경로를 기울일 수 있고, 이와 동시에 회전 대칭축 방향으로 거울 회전을 수행할 수 있다. 이를 통해, 초점/초점면 스캐너(160)는 반사빔의 방향을 전환하여, 360도 형태의 원형 방향으로 반사빔을 형성할 수 있다. 즉, 입사빔이 각도 θ를 가지는 경우에도, MEMS 거울의 기울어짐 각도(예,

₁)와 MEMS 거울의 회전에 의해, 반사빔은 360도 방향으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 초점/초점면 형성 광학계(150)는 필터링된 SLM 평면(PL10)에 대한 집속을 통해, 초점(또는 초점면)을 MEMS 거울의 중심축(또는 회전 대칭축)에 대한 소정의 각도(θ)로 MEMS 거울의 표면에 입사시킬 수 있다. 초점/초점면 형성 광학계(150)는 필터링된 SLM 평면(PL10)의 신호를 렌즈(LE10) 등을 통해, MEMS 거울의 표면에 초점면의 형태로 집속시킬 수 있다.

그리고 초점/초점면 스캐너(160)는 MEMS 거울의 축(예, 광축)에 대하여 MEMS 거울이 기울어진 정도를 나타내는 각도(

₁)와 MEMS 거울의 중심축(또는 회전 대칭축)을 기준으로 수행되는 거울 회전에 따라, 360도 방향의 빔을 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른, MEMS 스캐너에 장착된 거울로부터 형성되는 빔을 체적 영상으로 만드는 방법을 나타내는 도면이다.

구체적으로 도 7에는, 도 6에 예시된 실시예에 360도 형성 광학계(170)가 적용된 경우가 예시되어 있다. 여기서, 360도 형성 광학계(170)는 전방향 렌즈(omnidirectional lens) 또는 원뿔 모양 렌즈(conical lens) 등을 통해, 360도 방향으로 입체 홀로그램 영상을 형성할 수 있다. 구체적으로, 360도 형성 광학계(170)는 초점/초점면 스캐너(160)에 의해 형성된 빔(360도 방향의 빔)을 전방향 렌즈(omnidirectional lens) 또는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 8의 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 홀로그래픽 디스플레이 장치(100), 홀로그래픽 디스플레이 시스템 등일 수 있다.

도 8의 실시예에서, 컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110) 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(TN120), 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법들을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.

메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

입사 광원으로부터 방출되는 빛을 CGH(computer generated hologram) 패턴에 대응하는 형태로 회절시켜, 영상 신호를 생성하는 공간광변조기(spatial light modulator);
상기 영상 신호를 필터링하여, 상기 영상 신호에 포함된 신호 성분들 중 제1 신호 성분을 선택하는 필터링 광학계;
상기 제1 신호 성분에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 상기 제1 영상 평면 보다 작은 크기를 가지는 초점 평면을 거울의 표면에 형성하는 제1 형성 광학계;
상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 제1 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제1 각도와 상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제2 각도에 따라 빔의 경로를 기울이고, 상기 거울의 중심축을 기준으로 상기 거울을 회전시켜, 360도 방향의 빔을 형성하는 초점 스캐너; 및
360도 방향으로 영상을 재현할 수 있는 전방향 렌즈(omnidirectional lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 제2 형성 광학계
를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 형성 광학계는,
렌즈를 통해, 상기 제1 영상 평면의 신호를 상기 거울의 표면에 상기 초점 평면의 형태로 집속시키는
홀로그래픽 디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 거울은 20mm 이하의 직경을 가지며, 상기 거울은 MEMS(microelectromechanical system) 거울인
홀로그래픽 디스플레이 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 형성 광학계는,
360도 방향으로 영상을 재현할 수 있는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는
홀로그래픽 디스플레이 장치.
제2항에 있어서,
상기 거울의 직경은 아래의 수학식을 만족하는
홀로그래픽 디스플레이 장치.
[수학식]

(D: 상기 거울의 직경, f: 상기 렌즈의 초점 거리, λ는 상기 입사 광원의 파장, s: 상기 렌즈 앞에 형성되는 상기 제1 영상 평면 상에서의 픽셀 간격(pixel pitch))
공간광변조기(spatial light modulator)에 의해 회절된 영상 신호를 필터링하는 필터링 광학계;
상기 필터링된 영상 신호에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 초점 평면을 거울의 중심축에 대한 제1 각도로 상기 거울의 표면에 입사시키는 제1 형성 광학계;
상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 제1 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제1 각도와 상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제2 각도에 따라 빔의 경로를 기울이고, 상기 거울의 중심축을 기준으로 상기 거울을 회전시켜, 360도 방향의 빔을 형성하는 초점 스캐너; 및
360도 방향으로 영상을 재현할 수 있는 전방향 렌즈(omnidirectional lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 제2 형성 광학계
를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 형성 광학계는,
렌즈를 통해, 상기 제1 영상 평면의 신호를 상기 거울의 표면에 상기 제1 영상 평면 보다 작은 크기를 가지는 상기 초점 평면의 형태로 집속시키는
홀로그래픽 디스플레이 장치.
제8항에 있어서,
상기 거울은 20mm 이하의 직경을 가지며, 상기 거울은 MEMS(microelectromechanical system) 거울인
홀로그래픽 디스플레이 장치.
삭제
제8항에 있어서,
상기 제2 형성 광학계는,
360도 방향으로 영상을 재현할 수 있는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 상기 360도 방향의 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는
홀로그래픽 디스플레이 장치.
제9항에 있어서,
상기 거울의 직경은 아래의 수학식을 만족하는
홀로그래픽 디스플레이 장치.
[수학식]

(D: 상기 거울의 직경, f: 상기 렌즈의 초점 거리, λ는 입사 광원의 파장, s: 상기 렌즈 앞에 형성되는 상기 제1 영상 평면 상에서의 픽셀 간격(pixel pitch))
입사 광원으로부터 방출되는 빛을 CGH(computer generated hologram) 패턴에 대응하는 형태로 회절시켜, 영상 신호를 생성하는 단계;
상기 영상 신호를 필터링하는 단계;
상기 필터링된 영상 신호에 기초하는 제1 영상 평면에 대한 집속을 통해, 초점 평면을 거울의 표면에 형성하는 단계;
상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 제1 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제1 각도와 상기 거울의 광축에 대하여 상기 거울이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 기울어진 정도를 나타내는 제2 각도에 따라 빔의 경로를 기울이는 단계;
상기 거울의 중심축을 기준으로 상기 거울을 회전시켜, 360도 방향의 빔을 형성하는 단계; 및
360도 방향으로 영상을 재현할 수 있는 전방향 렌즈(omnidirectional lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 단계
를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법.
제14항에 있어서,
상기 초점 평면을 형성하는 단계는,
렌즈를 통해, 상기 제1 영상 평면의 신호를 상기 거울의 표면에 상기 제1 영상 평면 보다 작은 크기를 가지는 상기 초점 평면의 형태로 집속시키는 단계를 포함하는
홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법.
제14항에 있어서,
상기 초점 평면을 형성하는 단계는,
렌즈를 통해, 상기 초점 평면을 상기 거울의 중심축에 대한 소정의 각도로 상기 거울의 표면에 입사시키는 단계를 포함하는
홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법.
삭제
제14항에 있어서,
360도 방향으로 영상을 재현할 수 있는 원뿔 모양 렌즈(conical lens)에 상기 빔을 적용하여, 360도 방향의 홀로그램 영상을 형성하는 단계
를 더 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법.
제14항에 있어서,
상기 거울은 20mm 이하의 직경을 가지며, 상기 거울은 MEMS(microelectromechanical system) 거울인
홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법.
제15항에 있어서,
상기 거울의 직경은 아래의 수학식을 만족하는
홀로그래픽 디스플레이 장치의 디스플레이 방법.
[수학식]

(D: 상기 거울의 직경, f: 상기 렌즈의 초점 거리, λ는 상기 입사 광원의 파장, s: 상기 렌즈 앞에 형성되는 상기 제1 영상 평면 상에서의 픽셀 간격(pixel pitch))